CN213564391U - 一种桌面级光固化3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种桌面级光固化3D打印设备，包括DMD投影装置和三维成型机械装置，DMD投影装置包括DMD芯片、DMD投影控制模块、光路控制、紫外光光源、光学镜组；三维成型机械装置包括机架、Z轴运动装置、液槽组件和成型平台。在三维成型机械装置和DMD投影装置的协同下完成3D打印成型过程。低功率紫外光光源集成改良后的DMD芯片与光路控制装置、光学镜组、控制模块构建DMD投影装置，通过光学镜组实现对投影光线的平行度与聚焦的调节，对打印精度实现进一步提升。在保证紫外光线强度及打印精度的同时有效降低投影装置使用能耗，并且显著提升投影装置使用寿命，为DLP光固化3D打印技术的发展与推广应用起到了积极作用。

Description

一种桌面级光固化3D打印设备

技术领域

本实用新型属于DLP光固化3D打印成型领域，具体涉及一种桌面级光固化3D打印设备。

背景技术

增材制造又称3D打印，与传统制造工艺不同，3D打印技术融合了计算机模型构建、材料加工与成形技术等技术内容，以数字模型文件为基础，通过计算机控制软件与机械运动系统将不同类型材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的增材制造技术。广泛用于医疗、机械器件制造、航空航天等领域。光固化3D打印技术由于打印精度较高，成型效果好，成型效率高等优点得到了广发认可。常用的光固化3D打印技包括SLA（激光点光源固化）、DLP（投影仪面光源固化）和LCD（液晶面光源固化）。其中DLP光固化3D打印成型技术凭借着较高的打印精度及打印效率，出色的打印稳定性在光固化3D打印中得到了广泛的使用。传统DLP光固3D成型工艺中多采用投影装置来实现逐层投影及光固化，市面上常见的投影仪多采用钨灯作为光源，通过色轮使得钨灯光源转换为三原色的光源，再通过投影仪中的DMD芯片反射投影出彩色的图像。然而DLP光固化3D打印技术使用的原料中多为紫外光敏树脂，因此投影光线无法直接使用，所以为了满足固化所需的紫外光段，需要拆除色轮使用钨灯光源作为紫外光敏树脂的固化光源。一方面，使用钨灯光源中一小部分的紫外光作为固化光源势必会造成光源的利用率较低，增加了不必要的能耗，导致严重的浪费，同时钨灯光源系统体积较大增加设备所占空间。另一方面，投影仪钨灯光源在使用过程中由于长时间、高频率的“曝光”、“熄灭”会导致钨灯光源的寿命及性能直线下降，进而影响到整个设备的打印效果与使用寿命。此外紫外光在通过反射、DMD的作用后会发生损耗，导致光源紫外线强度的衰减，会进一步影响设备的打印精度。因此，传统投影设备在作为DLP光固化3D成型光源中存在能源利用率低、能源浪费的问题，同时设备体积过大、光源工作条件不匹配以及造成的使用寿命较短的缺陷也未能得很好的解决，加之紫外强度在光路上的损耗衰减的问题，将对DLP光固化3D打印的成型精度、成型效率、稳定性、使用成本、资源环保节约造成严重的不利影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种体积小、可提高DLP光固化3D打印的成型精度、成型效率和稳定性的桌面级光固化3D打印设备。

本实用新型提供的这种桌面级光固化3D打印设备，包括DMD投影装置和三维成型机械装置；所述DMD投影装置的DMD芯片的阵列镜面有一定厚度均匀的铝镀层；所述DMD投影装置还包括紫外光光源，紫外光光源采用单个低功率紫外LED灯珠，生成可满足光固化树脂固化要求的紫外光395-400nm；所述DMD投影装置的光路控制包括铝蒸镀镜面反射镜片及光线反射道；所述DMD投影装置的光学镜组包括调焦光学透镜及菲尼尔透镜；所述三维成型机械装置包括机架、Z轴运动装置、液槽组件和成型平台；液槽组件设置于机架的中部，Z轴运动装置为Z轴丝杆滑块装置，与液槽组件对中连接于机架的上部，成型平台与液槽组件对中连接于Z轴丝杆滑块装置的滑块上对应液槽组件的上方；DMD投影装置与液槽组件对中布置于机架的底部，光敏树脂置于液槽组件的液槽中。

上述技术方案的一种实施方式中，所述机架包括矩形立板及连接于其下部一侧的长方体框，且长方体框的顶面重心位置处有矩形孔，矩形孔处嵌装有透光板。

上述技术方案的一种实施方式中，所述液槽组件包括矩形围框及连接于矩形围框的内腔底部绷有离型膜，矩形围框的下端连接于所述机架的长方体框顶面矩形孔处。

上述技术方案的一种实施方式中，所述成型平台包括水平台板、竖向杆和限位头，竖向杆垂直连接于其上表面中心位置处，限位头连接于竖向杆的上端，水平台板的平面尺寸与所述液槽组件的矩形围框的内腔尺寸匹配。

上述技术方案的一种实施方式中，所述的Z轴丝杆滑块装置包括微型伺服电机、Z轴丝杆、Z轴导向杆、滑块、上，下安装板，下安装板固定于所述长方体框的顶面和矩形立板之间，上安装板平行固定于立板的上端，Z轴丝杆的两端分别通过轴承连接于上下安装板的中心位置处，微型伺服电机通过联轴器连接于Z轴丝杆的上端，Z轴导向杆对称布置于Z轴丝杆的两侧，滑块水平连接于Z轴丝杆和Z轴导向杆上，且滑块于Z轴丝杆之间为螺纹连接，可沿Z轴导向杆上下滑动。

上述技术方案的一种实施方式中，所述滑块包括滑动主体和其一侧的水平连接板，水平连接板的长度方向中心面外侧有U型槽。

上述技术方案的一种实施方式中，所述成型平台以其竖向杆插入所述水平连接板上的U型槽中后通过位于U型槽上方的限位头限位连接。

本实用新型的DMD投影装置摒弃现有DMD投影装置的色轮装置及高功率高能耗的钨灯光源，使用低功率紫外光源并改进光学镜组。低功率紫外光源为紫外LED灯珠，灯源体积小功率小，能够适用于长时间、高频率的开关作业，拥有较长的使用寿命的同时器件成本也相对低廉。与此同时，LED灯珠的紫外强度及波长能够达到市面上已有的光固化树脂的固化要求，相对于大功率的钨灯光源，显著提升能源利用率的同时也降低了能源损耗，此外，也大大减少了设备所占的空间体积。将DMD芯片及光路控制装置的镜面反射镜片进行蒸镀处理后，的DMD芯片和使其反射表面能够形成一定后度并均匀的铝蒸镀层，形成的铝蒸镀层对紫外光线拥有较高的反射率，能够有效降低紫外光在DMD与反射镜面之间作用后的损耗，有效地保证打印成型的精度。同时，设备配备了光学镜组实现了对投影光线的平行度与聚焦的调节，对打印精度实现了进一步的提升。同时给DMD投影装置配套了三维成型机械装置，三维成型机械装置采用可上下稳定滑动的Z轴丝杆滑块装置，其滑块的上下运动位移可精确通过微型伺服电机控制，使成型平台的水平台板的上下运动稳定、高效及每一次的运动位移精度高，从而保证矩形围框中液化树脂在水品台板上的答应厚度可精确可控。总之，本实用新型有效的避免了传统投影设备中光源的利用率低、能源浪费的问题，简化了设备体积实现桌面级效果。同时，在保证打印精度、稳定性及效率的前提下，也增强了DLP光固化3D打印作业条件的适配性与使用寿命，为DLP光固化3D打印技术的发展起到积极作用。

附图说明

图1为本实用新型优选实施例的三维结构示意图。

图2为图1的机架去掉长方体框的侧板后的示意图。

图3为图1中DMD投影装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本实施例公开的这种桌面级光固化3D打印设备，包括DMD投影装置1和三维成型机械装置2。

三维成型机械装置2包括机架、Z轴运动装置、液槽组件和成型平台。

机架包括矩形立板21及连接于其下部一侧的长方体框22，且长方体框的顶面重心位置处有矩形孔，矩形孔处嵌装有透光板。

Z轴丝杆滑块装置包括微型伺服电机23、Z轴丝杆24、Z轴导向杆25、滑块和安装板27。

安装板27有上下两块，下安装板固定于长方体框22的顶面和矩形立板21之间，上安装板平行固定于矩形立板的上端，Z轴丝杆24的两端分别通过轴承连接于上、下安装板的中心位置处，微型伺服电机23通过联轴器连接于Z轴丝杆24的上端，Z轴导向杆25对称布置于Z轴丝杆24的两侧，滑块水平连接于Z轴丝杆24和Z轴导向杆25上，且滑块与Z轴丝杆24之间为螺纹连接，可沿Z轴导向杆25上下滑动。

滑块包括滑动主体261和其一侧的水平连接板262，水平连接板262的长度方向中心面外侧有U型槽。

液槽组件包括矩形围框28及连接于矩形围框的内腔底部绷有离型膜，矩形围框的下端连接于机架的长方体框22顶面的矩形孔处。矩形围框作为放置光敏树脂的液槽。

成型平台包括水平台板29、竖向杆210和限位头211，竖向杆210垂直连接于水平台板29的上表面中心位置处，限位头211连接于竖向杆210的上端，水平台板的29平面尺寸与液槽组件的矩形围框28的内腔尺寸匹配。

成型平台以其竖向杆210插入水平连接板262上的U型槽中后通过位于U型槽上方的限位头211限位连接，使水平台板对中布置于液槽组件的上方。

DMD投影装置1置于机架的长方体框底面中间位置处。本实施例的DMD投影装置采用投影仪改良而成。

DMD投影装置1包括机体11及机体内的DMD芯片12、DMD投影控制模块（图中未示出）、铝蒸镀镜面反射镜片14、光线反射道15、紫外LED灯珠16、调焦光学透镜17和菲尼尔透镜18。

DMD芯片2的分辨率可达1080P并经过真空蒸镀处理（铝蒸镀），使原有的DMD芯片2中的阵列镜面（微镜）表面形成一定厚度并均匀的铝镀层。DMD投影控制模块用于控制DMD芯片2中微镜翻转进而完成成像。

铝蒸镀镜面反射镜片4及光线反射道5构成光路控制，通过将紫外光源光线发射到DMD芯片2上，再由DMD芯片2及DMD投影控制模块完成DMD的成像。

紫外光光源采用单个低功率紫外LED灯珠6构成，功率为1-5W，生成紫外光395-400nm，能够满足市面上常用的光固化树脂的固化要求。

调焦光学透镜7及菲尼尔透镜8构成光学镜组装置。

本设备的使用步骤如下：

步骤一：将光敏树脂导入液槽组件的液槽中，并通过Z轴丝杆滑块装置的滑块带动水平台板位于液槽底部贴紧离型膜面。

步骤二：通过计算机上位机系统将打印的三维模型进行切片处理，将三维模型转换为代码模型，使用计算机上位机系统将代码传输给运动控制模块。

步骤三：Z轴丝杆滑块装置的微型伺服电机工作，使水平台板抬高一定高度，同时DMD投影装置接通光源，并通过切片模型复刻初始切片层面二维图像，对树脂进行曝光。此时液槽内的光敏树脂按照图像进行固化，待固化时间结束，即该层固化完成后，光源关闭，投影熄灭，固化实体固定在成型水平台板底面，然后使水平台板再次抬起，液槽内树脂完成流平，完成第一层固化成型。

步骤四：使水平台板下降，使水平台板底面的上一层实体面与离型膜面之间为下一层打印厚度距离，进而完成下一层固化。随着层数不断增加，设备按照模型完成每一层的树脂固化进而逐层完成整个模型的3D打印成型过程。

步骤五：将成型体从水平台板上取下，清洗后得到最终的成型体。

本设备对DMD投影系统进行了重新设计及改良，摒弃原有的色轮装置及高功率高能耗的钨灯光源，使用低功率紫外光源集成DMD芯片与光路控制，并通过结合光学镜组，控制模块构建DMD投影装置系统，低功率紫外光源为紫外LED灯珠，灯源体积小功率为1-7W，能够适用于长时间，高频率的开关作业，拥有着较长的使用寿命的同时器件成本也相对低廉。与此同时，LED灯珠的紫外强度及波长能够达到市面上已有的光固化树脂的固化要求，相对于大功率的钨灯光源，显著提升能源利用率的同时也降低了能源损耗，此外，也大大减少了设备所占的空间体积。DMD芯片及光路控制装置的镜面反射镜片都通过了铝真空蒸镀处理，蒸镀是指在一定的真空条件下加热被蒸镀材料，使其熔化(或升华)并形成原子、分子或原子团组成的蒸汽，凝结在基材表面成膜。经过蒸镀处理后的DMD芯片和使其反射表面能够形成一定后度并均匀的铝蒸镀层，形成的铝蒸镀层对紫外光线拥有较高的反射率，能够有效降低紫外光在DMD与反射镜面之间作用后的损耗，有效地保证打印成型的精度。同时，设备配备了光学镜组实现了对投影光线的平行度与聚焦的调节，对打印精度实现了进一步的提升。本设备有效的避免了传统投影设备中光源的利用率低、能源浪费的问题，简化了设备体积实现桌面级效果。同时，在保证打印精度、稳定性及效率的前提下，也增强了DLP光固化3D打印作业条件的适配性与使用寿命，为DLP光固化3D打印技术的发展起到积极作用。

Claims (7)

1.一种桌面级光固化3D打印设备，包括DMD投影装置，其特征在于：该设备还包括三维成型机械装置；

所述DMD投影装置的DMD芯片的阵列镜面有一定厚度均匀的铝镀层；

所述DMD投影装置还包括紫外光光源，紫外光光源采用单个低功率紫外LED灯珠，生成可满足光固化树脂固化要求的紫外光395-400nm；

所述DMD投影装置的光路控制包括铝蒸镀镜面反射镜片及光线反射道；

所述DMD投影装置的光学镜组包括调焦光学透镜及菲尼尔透镜；

所述三维成型机械装置包括机架、Z轴运动装置、液槽组件和成型平台；液槽组件设置于机架的中部，Z轴运动装置为Z轴丝杆滑块装置，与液槽组件对中连接于机架的上部，成型平台与液槽组件对中连接于Z轴丝杆滑块装置的滑块上对应液槽组件的上方；

DMD投影装置与液槽组件对中布置于机架的底部，光敏树脂置于液槽组件的液槽中。

2.根据权利要求1所述的桌面级光固化3D打印设备，其特征在于：所述机架包括矩形立板及连接于其下部一侧的长方体框，且长方体框的顶面重心位置处有矩形孔，矩形孔处嵌装有透光板。

3.根据权利要求2所述的桌面级光固化3D打印设备，其特征在于：所述液槽组件包括矩形围框及连接于矩形围框的内腔底部绷有离型膜，矩形围框的下端连接于所述机架的长方体框顶面矩形孔处。

4.根据权利要求3所述的桌面级光固化3D打印设备，其特征在于：所述成型平台包括水平台板、竖向杆和限位头，竖向杆垂直连接于其上表面中心位置处，限位头连接于竖向杆的上端，水平台板的平面尺寸与所述液槽组件的矩形围框的内腔尺寸匹配。

5.根据权利要求2所述的桌面级光固化3D打印设备，其特征在于：所述的Z轴丝杆滑块装置包括微型伺服电机、Z轴丝杆、Z轴导向杆、滑块、上，下安装板，下安装板固定于所述长方体框的顶面和矩形立板之间，上安装板平行固定于立板的上端，Z轴丝杆的两端分别通过轴承连接于上下安装板的中心位置处，微型伺服电机通过联轴器连接于Z轴丝杆的上端，Z轴导向杆对称布置于Z轴丝杆的两侧，滑块水平连接于Z轴丝杆和Z轴导向杆上，且滑块于Z轴丝杆之间为螺纹连接，可沿Z轴导向杆上下滑动。

6.根据权利要求5所述的桌面级光固化3D打印设备，其特征在于：所述滑块包括滑动主体和其一侧的水平连接板，水平连接板的长度方向中心面外侧有U型槽。

7.根据权利要求6所述的桌面级光固化3D打印设备，其特征在于：所述成型平台以其竖向杆插入所述水平连接板上的U型槽中后通过位于U型槽上方的限位头限位连接。

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